TD-SCDMA手機(jī)射頻前端設(shè)計

美信今年一季度開發(fā)出商用的TD-SCDMA手機(jī)射頻套片，為TD-SCDMA的商用化進(jìn)程立下戰(zhàn)功。本文在該公司基于此套片的參考設(shè)計基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討了在TD-SCDMA手機(jī)射頻前端設(shè)計中應(yīng)考慮的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

TD-SCDMA與另外兩種第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)相比有四大技術(shù)特點(diǎn)：雙向智能天線技術(shù)、反向鏈路同步技術(shù)、反向聯(lián)合檢測技術(shù)、動態(tài)信道分配技術(shù)，其中雙向智能天線技術(shù)得益于它收發(fā)同頻。除四大技術(shù)特點(diǎn)外，TD-SCDMA還有終端費(fèi)用低、運(yùn)營成本低的優(yōu)勢，終端費(fèi)用低得益于TDD工作模式；運(yùn)營成本低得益于收發(fā)同頻，不需要成對頻點(diǎn)。

圖1：TD-SCDMA手機(jī)射頻
單元參考設(shè)計功能框圖

美信公司新推出的商用TD-SCDMA手機(jī)射頻套片共有兩顆：MAX2507和MAX2392。MAX2507是發(fā)射芯片，集成了自模擬I/Q至功放輸出的所有電路，主要功能模塊有：I/Q正交調(diào)制器、混頻器、可變增益放大器、功率放大器、射頻本振VCO、射頻鎖相環(huán)、中頻本振電路、射頻功率檢波器。MAX2392 是零中頻接收芯片，集成了自低噪聲放大器至模擬I/Q輸出的所有電路，主要功能模塊有：低噪聲放大器、I/Q正交解調(diào)器、可變增益放大器、信道選擇濾波器、DC-Offset自動去除電路、I/Q幅度自動校準(zhǔn)電路、VCO、鎖相環(huán)。為方便用戶設(shè)計，MAXIM還提供有完整的參考設(shè)計方案(圖1)，該參考設(shè)計的有效射頻PCB面積為6.6平方厘米，工作在3-3.6V，可直接由單節(jié)鋰電池供電。

3GPP針對TD-SCDMA終端規(guī)定了很多技術(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)根據(jù)其制定的目的可以分作三大類：一是為滿足系統(tǒng)自身的需要而設(shè)定的指標(biāo)，如發(fā)射機(jī)輸出功率等級、功率控制精度、最小可控發(fā)射功率、發(fā)射信號調(diào)制精度EVM、接收機(jī)靈敏度、最大可接收信號幅度、頻率穩(wěn)準(zhǔn)度等；二是為反映系統(tǒng)魯棒性而設(shè)定的指標(biāo)，如接收機(jī)雜散響應(yīng)指標(biāo)、抗單音雙音干擾指標(biāo)、接收機(jī)鄰道選擇性指標(biāo)ACS等；三是為防止該系統(tǒng)對系統(tǒng)自身或其它系統(tǒng)造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，如收發(fā)信機(jī)雜散輻射指標(biāo)、發(fā)射機(jī)鄰道功率泄漏ACLR、發(fā)射信號頻域模板、發(fā)射機(jī)互調(diào)指標(biāo)等。對于這些指標(biāo)的詳細(xì)論述，請參考3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文以MAXIM參考設(shè)計為例，僅就一些具有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)加以討論。

ACLR指標(biāo)

ACLR指標(biāo)是為防止發(fā)信機(jī)對鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，它也是衡量發(fā)射機(jī)非線性失真程度的一個重要指標(biāo)。TD-SCDMA信號屬于非恒包絡(luò)調(diào)制，它的成型濾波器是根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.22，因此當(dāng)通道存在非線性幅度壓縮時，在TD-SCDMA信號頻譜兩側(cè)會產(chǎn)生新的頻譜成份，ACLR指標(biāo)是指落入鄰近信道的信號與主信道信號功率之比。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相鄰信道ACLR指標(biāo)應(yīng)不大于-33dBc，隔一信道該指標(biāo)應(yīng)不大于-43dBc，但當(dāng)泄漏到鄰近信道的信號功率小于-55dBm時，可不考慮ACLR指標(biāo)。MAXIM參考設(shè)計在最大發(fā)射功率時，鄰信道與隔一信道ACLR指標(biāo)都有較大余量。

MAX2507還有一個特點(diǎn)就是它在小信號發(fā)射時，ACLR指標(biāo)并不是變得非常好，看來是一個缺點(diǎn)，實(shí)際上這恰恰是MAXIM工程師在設(shè)計MAX2507時的獨(dú)具匠心之處。MAX2507保證ACLR指標(biāo)在所有發(fā)射功率電平下均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有一定余量的同時，根據(jù)發(fā)射功率大小自適應(yīng)地調(diào)整功放偏置電流，這使得該芯片在實(shí)際應(yīng)用中非常省電。

發(fā)射信號頻譜模板

發(fā)射信號頻譜模板與ACLR同是為防止發(fā)信機(jī)對鄰近頻點(diǎn)信道造成干擾而設(shè)定的指標(biāo)，同是由通道的非線性幅度壓縮而引起的，較ACLR指標(biāo)相比，該指標(biāo)更嚴(yán)格一些。ACLR指標(biāo)只是粗略地規(guī)定了再生頻譜分量與主信道頻譜分量功率之比，而頻譜模板則詳細(xì)規(guī)定了再生頻譜分量在偏離載波0.8MHz至4MHz范圍內(nèi)的相對大小。如果你測試過一些線性功放，你就會發(fā)現(xiàn)有時ACLR指標(biāo)很好，但卻不能滿足頻譜模板的要求，原因是再生的頻譜分量上下兩個邊帶不對稱，且邊帶的形狀并不是想象中的3階、5階頻譜的疊加形狀，其形狀之所以較理想非線性產(chǎn)物頻譜有較大差異，是因?yàn)樗头蔷€性器件輸入輸出匹配有關(guān)。雖然MAX2507已設(shè)計成50歐姆輸入輸出阻抗以方便客戶使用，但實(shí)際應(yīng)用中MAX2507功放前后的電路并不總是很理想，這樣就造成了再生頻譜分量的不對稱和某些頻點(diǎn)處有凸包出現(xiàn)，以至于不能滿足頻譜模板的要求。為對付該問題，MAXIM在MAX2507內(nèi)部設(shè)計了一個巧妙的電路，通過更改寄存器數(shù)值來補(bǔ)償外部電路的非理想性，從而可以輕松解決該問題。

圖2：交叉調(diào)制現(xiàn)象舉例

發(fā)射信號調(diào)制精度EVM

EVM是衡量發(fā)射機(jī)發(fā)射信號調(diào)制精度的一個重要指標(biāo)，需注意的是該指標(biāo)不是簡單定義射頻信號的調(diào)制精度，而是先將射頻信號映射到I/Q平面，然后經(jīng)過匹配濾波器， 再抽樣得到離散的I/Q數(shù)值，EVM衡量的是該離散I/Q數(shù)值的精度。它與射頻信號的精度是不一樣的，原因是在求離散I/Q數(shù)據(jù)點(diǎn)時采用了成型濾波器，在頻域上看該濾波器可以將帶外噪聲抑制掉一些，從而提高了調(diào)制精度指標(biāo)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)中還指出在測量時，應(yīng)盡可能地調(diào)整解調(diào)過程中本振的頻率和相位，以及采取所有可能的措施使最終誤差最小，這也就是說射頻調(diào)制信號中有些失真與干擾將不計入EVM值，這些包括射頻通道的線性失真、載波泄漏、I/Q正交調(diào)制器的移相偏差、正交分量與同相分量幅度的不平衡，這樣算下來，影響EVM指標(biāo)的還有兩大因素：相位噪聲與非線性產(chǎn)物。方程1是一個簡化公式用來估算EVM值。

EQ1

其中，ACLR是指相鄰信道的ACLR測量值，Qrms是累積相位誤差，9.5是針對TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的一個修正值。

為驗(yàn)證方程1是否正確，我們先利用ESG信號源產(chǎn)生簡單的QPSK I/Q信號，這里碼片速率為 1.28M，成型濾波器為0.22滾降系數(shù)的根升余弦濾波器，將該信號加到圖1所示參考設(shè)計的輸入端，調(diào)整參考設(shè)計配置使其輸出功率為21dBm，這時利用FSIQ測得EVM約等于3.5%，鄰信道ACLR為-38.5dBc；接下來我們移開ESG信號源，將參考設(shè)計的TxI+短接到地，從而在天線端口得到一個正弦波信號，用FSIQ測量該正弦波的相位噪聲，最后計算出1kHz-1MHz范圍內(nèi)累積相位噪聲約為1.5度。我們將上面測試結(jié)果代入方程1式得:

EQ2

比較EVM測量值和計算值，其誤差不到一個百分點(diǎn)，可見方程1作為EVM的估算公式還是很有效的。3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求EVM指標(biāo)不大于17.5%，由上面測試結(jié)果可以看到圖1所示參考設(shè)計有很大余量。

接收機(jī)靈敏度與NF

接收機(jī)靈敏度是一個系統(tǒng)指標(biāo)，不僅接收機(jī)射頻通道的性能影響該指標(biāo)，基帶單元的解調(diào)算法也會影響該指標(biāo)，用此指標(biāo)來直接衡量射頻接收機(jī)的性能好壞顯然不合適。接收機(jī)射頻通道對小信號的惡化主要是加性白噪聲的影響，它反應(yīng)接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo)。相位噪聲也會影響信號接收質(zhì)量，但在小信號時相對加性白噪聲的影響則微乎其微，故在此不考慮相位噪聲的影響。因此當(dāng)接收機(jī)基帶單元確定的情況下，接收機(jī)靈敏度信號電平則與整機(jī)噪聲系數(shù)有著直接對應(yīng)關(guān)系。3GPP TR 25.945標(biāo)準(zhǔn)指出只要接收機(jī)噪聲系數(shù)不大于9dB，整機(jī)就應(yīng)該滿足靈敏度指標(biāo)(靈敏度電平為-108dBm)要求，這里也暗示了如還有問題，則應(yīng)該是基帶解調(diào)的問題，與射頻接收機(jī)無關(guān)。圖1所示的參考設(shè)計整機(jī)噪聲系數(shù)約為5.7dB，相對9dB的最低要求有3.3dB余量，因此采用該射頻套片的手機(jī)其整機(jī)靈敏度應(yīng)能達(dá)到-111dBm。

接收機(jī)非線性指標(biāo)要求

3GPP TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)眾多指標(biāo)中有很多與接收機(jī)非線性有關(guān)，這些指標(biāo)歸納起來有兩類：一類是為防止小信號時強(qiáng)干擾造成性能下降而設(shè)定的指標(biāo)，如阻塞、雜散響應(yīng)、雙音互調(diào)；另一類指信號自身幅度太強(qiáng)，這里僅有一個指標(biāo)就是最大輸入信號電平指標(biāo)。為靈活應(yīng)對這些指標(biāo)要求，同時考慮手機(jī)的節(jié)電要求，MAXIM為接收芯片MAX2392設(shè)計了多種工作模式。MAX2392的低噪聲放大器有高低兩種增益模式，混頻器也有兩種增益模式，同時混頻器的線性度也有兩檔，這樣組合起來MAX2392有四種區(qū)別比較明顯的模式：HGML、HGHL、MG、LG。HGML指高增益中等線性度模式，這時低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益低線性度狀態(tài)。HGHL指高增益高線性度模式，這時低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于高增益高線性度狀態(tài)。MG指中等增益模式，這時低噪聲放大器處于高增益狀態(tài)，混頻器處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線性度無關(guān)。LG指低增益模式，這時低噪聲放大器與混頻器都處于低增益狀態(tài)，與混頻器的線性度無關(guān)。下面分別就一些具體的非線性指標(biāo)要求做詳細(xì)討論。

a)接收機(jī)最大輸入信號電平指標(biāo)。該指標(biāo)涉及到接收機(jī)的兩個問題：接收機(jī)通道增益控制范圍，因?yàn)樵撝笜?biāo)規(guī)定了天線端口最大輸入信號電平，而靈敏指標(biāo)規(guī)定了最小輸入信號電平，我們總希望基帶接口處電平恒定，這就要求通道增益控制范圍至少大于這兩個指標(biāo)規(guī)定的電平之差；該指標(biāo)牽扯到的另一個射頻通道技術(shù)指標(biāo)就是要求通道在如此大的信號電平下不能發(fā)生明顯的限幅。針對該指標(biāo)要求，MAXIM建議將MAX2392置為低增益模式。圖1所示參考設(shè)計在低增益模式下測到輸入1dB壓縮點(diǎn)為-11.6dBm，而最大輸入信號電平為-25dBm，顯然可以滿足要求。

b)雜散響應(yīng)與阻塞指標(biāo)。雜散響應(yīng)主要是針對超外差接收機(jī)提的指標(biāo)，雜散響應(yīng)點(diǎn)也稱為寄生頻道，它是射頻本振與中頻的組合頻率。與一般阻塞相比，當(dāng)干擾落在這些寄生頻道上時，它會對系統(tǒng)造成更大的危害。MAX2392是零中頻接收機(jī)，所以該問題不明顯。阻塞指標(biāo)又分為頻段內(nèi)阻塞指標(biāo)與頻段外阻塞指標(biāo)，頻段外阻塞指標(biāo)對系統(tǒng)的影響部分地可由前端射頻濾波器解決。阻塞信號對系統(tǒng)的影響有四個方面：倒易混頻影響、交叉調(diào)制影響、阻塞信號二次項成份的影響、阻塞信號直接透過信道濾波器加到基帶單元輸入端口造成的影響。倒易混頻影響是指干擾信號與本振邊帶噪聲混頻產(chǎn)物對系統(tǒng)的影響，它與本振相位噪聲指標(biāo)有關(guān)，與通道非線性指標(biāo)無關(guān)，后文再作詳細(xì)討論。阻塞信號直接透過信道濾波器造成的影響與信道濾波器的帶外抑制特性有關(guān)，與通道非線性指標(biāo)無關(guān)，我們也把這個影響放到后面去討論。